Çevresel etkiler altındaki refakat römorkörü performansının deneysel ve hesaplamalı analizi
Experimental and computational investigation of escort tug performance under environmental effects
- Tez No: 935481
- Danışmanlar: PROF. DR. UĞUR ORAL ÜNAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 254
Özet
Bu tez çalışması, yük taşımacılığında kritik bir rol oynayan ve boyutları kısıtlı sulardan geçmesi gereken büyük gemilere refakat eden römorkörlerin performansını, çeşitli çevresel etkiler altında incelemeyi amaçlamıştır. Özellikle Türk Boğazları gibi dar ve yoğun su yollarında büyük ve tehlikeli madde taşıyan gemilerin güvenli geçişi, ciddi riskler barındırmaktadır. Bu riskleri minimize etmek amacıyla, Türk Boğazları Gemi Trafik Hizmetleri (TBGTH) Otoritesi, belirli kriterlere sahip gemilerin geçişi sırasında uygun tip, güç ve sayıda refakat römorkörü kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Ancak, kullanılacak römorkörlerin kapasitesinin belirlenmesi konusunda bilimsel ve standartlaştırılmış yöntemlere duyulan ihtiyaç, bu çalışmanın ana motivasyon kaynağını oluşturmaktadır. Tezin temel amacı, römorkörlerin performansını, özellikle rüzgar, akıntı ve dalga gibi çevresel faktörlerin etkisi altında, hem deneysel hem de Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemlerini kullanarak kapsamlı bir şekilde analiz etmek ve bu analizlere dayanarak güvenilir bir hesaplama çerçevesi geliştirmektir. Bu çerçeve, römorkörlerin farklı operasyonel koşullarda sergiledikleri performansın önceden tahmin edilmesini sağlayacak, böylece tasarım ve operasyon süreçlerinde önemli iyileştirmeler sunacaktır. Çalışma, M419 olarak adlandırılan bir refakat römorkörü modelinin, İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarında gerçekleştirilen bir dizi deneyleriyle başlamıştır. Bu deneyler, römorkörün farklı hızlarda ve sürüklenme açılarında, sakin su ve dalgalı koşullar altında üç serbestlik derecesindeki (batma, trim ve meyil) kuvvet ve momentleri ölçmek üzere tasarlanmıştır. Deneyler, iki farklı düzenek kullanılarak gerçekleştirilmiştir: altı bileşenli bir dinamometre ve Çekme Modlu Manevra Deney Sistemi (ÇMMDS). Altı bileşenli dinamometre düzeneği, modelin yalpa ve baş-kıç vurma hareketlerinin serbest olmasını sağlayan bir mekanizma üzerine yerleştirilmiş ve modelin çekme aracına bağlantısı, sadece dalıp çıkma hareketine serbest olan mekanik bir dinamometre ayağı ile gerçekleştirilmiştir. ÇMMDS düzeneğinde ise, altı bileşenli bir su geçirmez dinamometre ve bir pantograf kullanılmış, modelin sürüklenme açısı elektronik olarak ayarlanarak insan hatasından kaynaklanabilecek sapmalar minimize edilmiştir. Deneyler sırasında, modelin hareketlerini ölçmek için açı sensörleri ve ultrasonik mesafe ölçüm cihazları kullanılmıştır. Dalga deneylerinde, Douglas ölçeğine göre deniz şiddeti 3 ve 4'e karşılık gelen dalgalar üretilmiş ve modele bu dalgaların etkisinde uygulanan kuvvet ve momentler ölçülmüştür. Deneysel çalışmanın yanı sıra, tez kapsamında kapsamlı HAD analizleri de gerçekleştirilmiştir. Bu analizler, ticari bir viskoz akış çözücü olan StarCCM+ yazılımı kullanılarak yapılmış ve temel denklemler sonlu hacimler yöntemi ile ayrıklaştırılarak çözülmüştür. HAD analizlerinde, farklı çevresel etkileri (rüzgar, akıntı ve dalga) temsil etmek üzere üç farklı gemi modeli (bir konteyner gemisi, bir açık deniz destek gemisi (OSV) ve M419 römorkörü) kullanılmıştır. Her bir çevresel etki için, ağdan bağımsızlık çalışmaları yürütülmüş ve optimum ağ yapıları belirlenmiştir. Rüzgar analizlerinde, konteyner gemisi modeli kullanılarak HAD yönteminin geçerliliği, Andersen'in (2013) rüzgar tüneli deneyleri ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. OSV modeli ile, HAD sonuçları ve çeşitli ampirik yöntemlerle elde edilen rüzgar yükü katsayıları karşılaştırılmış, ampirik yöntemlerin güçlü ve zayıf yönleri değerlendirilmiştir. M419 römorkörü için ise, farklı rüzgar açıları altında rüzgar kuvveti ve moment katsayıları HAD ile hesaplanmıştır. Akıntı analizlerinde, OSV ve M419 modelleri kullanılarak farklı sürüklenme açılarında akıntı kuvvetleri ve momentleri HAD ile hesaplanmış, sonuçlar deneysel veriler ve ampirik yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Dalga analizlerinde ise, DTC konteyner gemisi, OSV ve M419 modelleri kullanılarak düzenli ve düzensiz dalgalar altında dalga sürüklenme kuvvetleri ve momentleri hesaplanmıştır. DTC ve M419 için sonuçlar deneysel verilerle, OSV için ise ampirik yöntemlerle karşılaştırılmıştır. HAD analizlerinin sonuçları, farklı sürüklenme açılarında ve çevresel koşullar altında römorkörün performansını detaylı bir şekilde ortaya koymaktadır. Rüzgar analizleri, özellikle yüksek sürüklenme açılarında akım ayrılmasının ve girdap yapılarının oluşumunu gözler önüne sermekte ve bu durumun kuvvet ve moment katsayıları üzerindeki etkisini açıklamaktadır. Akıntı analizleri, farklı hız ve sürüklenme açılarında römorkörün maruz kaldığı hidrodinamik kuvvetleri ve momentleri belirlemiş, özellikle 45° civarında meydana gelen“stol”(stol) açısının önemini vurgulamıştır. Dalga analizleri ise, düzenli ve düzensiz dalgaların römorkör üzerindeki etkilerini incelemiş, özellikle dalga boyunun gemi boyuna yakın veya daha büyük olduğu durumlarda dalga sürüklenme kuvvetlerinin arttığını göstermiştir. HAD analizlerinin sonuçları, römorkörün denge denklemlerine girdi olarak kullanılmış ve farklı çevresel koşullar altında römorkörün operasyonel zarfı, maksimum döndürme ve durdurma kuvvetleri ile denge konumları hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar, römorkörün belirli bir hızda ve sürüklenme açısında, farklı akıntı, rüzgar ve dalga koşullarında ne kadar kuvvet üretebileceğini ve hangi konumda dengede kalabileceğini göstermektedir. Analiz sonuçları, özellikle bordadan gelen akıntının operasyonel zarfı önemli ölçüde kaydırdığını, kıçtan gelen akıntının döndürme performansını düşürdüğünü, rüzgar ve dalganın ise belirli açılarda hidrodinamik kaldırma kuvvetini artırarak daha yüksek döndürme kuvvetleri elde edilmesini sağladığını ortaya koymuştur. Tez çalışmasının en önemli sonuçlarından biri, römorkörün performansının çevresel koşullara bağlı olarak önemli ölçüde değiştiğini ve bu değişimin HAD analizleri ile detaylı bir şekilde modellenebildiğini göstermesidir. Elde edilen bulgular, römorkör tasarımı ve operasyonları açısından önemli bilgiler sunmaktadır. Özellikle, yüksek sürüklenme açılarında ve şiddetli hava koşullarında römorkörün performansında meydana gelen düşüşler, operasyonel sınırların belirlenmesi ve güvenlik önlemlerinin alınması açısından kritik öneme sahiptir. Ayrıca, farklı çevresel koşulların kombinasyonlarının römorkör performansı üzerindeki etkisinin incelenmesi, gerçekçi operasyonel senaryoların simülasyonuna ve daha güvenli, verimli refakat operasyonlarının planlanmasına olanak tanımaktadır. Geliştirilen hesaplama çerçevesi, herhangi bir römorkör için, herhangi bir çevresel koşul altında, performansın önceden tahmin edilmesini sağlayarak, tasarım ve operasyon süreçlerinde önemli bir araç olarak kullanılabilir. Bu çerçeve, sadece HAD analizlerinden elde edilen katsayıları kullanmakla kalmayıp, aynı zamanda bu katsayıların deneysel verilerle doğrulanmasına da olanak tanıyarak, yöntemin güvenilirliğini artırmaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, refakat römorkörlerinin performansının kapsamlı bir analizini sunmakta ve gelecekteki tasarım ve operasyon optimizasyonları için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
The primary objective of this thesis is to develop a comprehensive computational method that can accurately and reliably predict the performance of escort tugs while also taking into account the influence of environmental factors. This method aims to precisely calculate the hydrodynamic and environmental forces and moments experienced by tugs escorting large vessels in restricted waters, particularly under varying conditions of speed, drift angle, wind, waves, and current. The study encompasses both model-scale experiments and full-scale Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses, and comparative evaluations of empirical formulas, thereby making original contributions to both the academic literature and the maritime industry. The subject of this research is the detailed examination of an escort tug's performance under a variety of operational and environmental conditions. This includes an in-depth analysis of the tug's hydrodynamic behaviour at different speeds and drift angles, as well as the combined effects of wind, wave, and current forces acting upon it. A particular focus is placed on the“stall”behaviour exhibited by the tug at certain drift angles and its implications for the tug's manoeuvrability. Furthermore, the study investigates the wave-induced drift forces and moments on the tug in different sea states and wavelengths, for both regular and irregular wave conditions. In addition to calculations based on the static equilibrium of the tug, the effects of static motions (sinkage, trim, heel) and geometric asymmetries are also explored. The methodologies employed in this study involve a combination of experimental and numerical techniques. Model experiments were conducted at the İTÜ Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory using a 1/15 scale model of an escort tug. Force and moment measurements were taken using a six-component dynamometer and the Planar Motion Mechanism (PMM). The experiments were performed for various drift angles (from 0° to 90°), speeds (6 and 8 knots), and sea conditions (calm water, sea states 3 and 4), and the acquired data were analysed using signal processing techniques such as Fast Fourier Transform (FFT). For the numerical analyses, a commercial CFD software, SIEMENS StarCCM+, was utilized, solving the Reynolds-Averaged Navier- Stokes (RANS) equations with the SST k-ω turbulence model and the Volume of Fluid (VOF) method for free surface modelling. The CFD analyses were conducted for both model and full scales, with mesh independence studies performed to minimize numerical uncertainties. Furthermore, comparative evaluations were made using various empirical formulas for wind and wave load calculations, such as API-RP2SK (2005), DNVGL-ST-0111 (2018), Blendermann (1994), and Remery-Van Oortmerrsen (1973). The equilibrium equations of the tug were expanded to include environmental forces and solved using an algorithm developed in the Python programming language. This algorithm calculates the tug's operational envelope, maximum steering and braking forces, equilibrium position, and thruster angles for different escort speeds, drift angles, towline angles, wind, wave, and current conditions. The results of the study demonstrate that CFD analyses are effective in modelling complex flow phenomena such as flow separation and vortex formation, and in accurately predicting the hydrodynamic forces and moments acting on the tug. Comparisons with model experiments showed high agreement, particularly in the lateral force and yaw moment coefficients, with the stall angle around 45° and the sudden force changes around this angle successfully captured in both experiments and CFD analyses. In the wind and wave load calculations, the CFD analyses provided more consistent and reliable results compared to empirical methods. Empirical methods were found to be inadequate, especially in cases where the ship's geometry is complex and flow separation is significant. For instance, in the wind analyses of the OSV, CFD results closely matched experimental data for wind coefficients, whereas various empirical methods significantly over- or under-predicted forces and moments at certain angles. Similarly, in the current analyses, empirical models could provide consistent results for longitudinal force and drift in low and moderate drift angles, but showed large deviations in transverse force and yaw moment predictions at high angles. In the wave analyses of the DTC, CFD results showed good agreement with experimental data, with average deviations of 11.15% for the longitudinal force coefficient and 27.5% for the transverse force coefficient. For the OSV in regular and irregular waves, CFD results and the DNVGL method showed consistent trends in wave drift forces and moments, although significant differences were observed with other empirical methods at high sea states and complex geometries. The solution of the tug's equilibrium equations revealed that environmental effects significantly alter the tug's performance. For example, a current coming from the beam shifts the operational envelope, a stern current reduces the maximum steering force (from 86.5 tons to 69.4 tons at a 3 m/s current speed), and wind and waves at certain angles enhance hydrodynamic lift, enabling higher steering forces. However, in strong winds like Beaufort 6, the wave drift force could prevent equilibrium from being established for some towing rope and drift angles, posing a critical operational limitation for the captain. In addition, it was determined that the maximum steering force at a 10-knot escort speed occurs at a 39° drift angle, while at 6 knots, this force occurs at 51°. At a 10-knot speed, higher steering forces could not be calculated due to the 90° operational limit of the towing rope angle. Braking forces were calculated as 73.9, 72.9, and 71.4 tons for 6, 8, and 10 knots, respectively, indicating that speed does not significantly affect this force. It reaches its maximum value at or near 180° towing rope angles and is limited to values close to the maximum thrust for the M419 tug. In conclusion, this thesis presents a comprehensive frame of computational method capable of accurately predicting the performance of escort tugs, considering the effects of environmental factors. The findings demonstrate the superiority of CFD analyses, especially in complex flow conditions and high drift angles, over empirical methods. The developed method can be adapted for different tug types, ship geometries, and operational scenarios. Moreover, it can make significant contributions to enhancing safety and efficiency in tug design and operation planning processes. The outcomes of this research equip both researchers and industry professionals with a deeper understanding of tug-ship interactions under various environmental loads, ultimately supporting more informed decision-making in maritime operations. The methodologies and findings of this study pave the way for future investigations into tug performance, optimization of operational parameters, and development of advanced control algorithms for tug assistance systems.
Benzer Tezler
- Pediyatrik tedavi mekanlarını kullanan bireylerin mekansal algılarının bilişsel ve mekan dizimi yöntemleriyle irdelenmesi
Analysis of perceptual processes of individuals using pediatric spaces by the methods of cognition and space syntax
NEVŞET GÜL ÇANAKÇIOĞLU
- Büyük kütleli tarihi yapıların çevresel etkiler altında yapısal dengesinin analitik yöntemlerle incelenmesi; sinop kalesi örneği
Investigation on structural stability of large scale historical buildings under environmental effects with analytical methods; case study: historical sinop castle
RÜYA KILIÇ DEMİRCAN
Doktora
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ İHSAN ÜNAY
- Minarelerin sıcaklık ve nem gibi çevresel etkilere bağlı olarak yapısal davranışlarının takibi ve değerlendirilmesi
Monitoring and evaluation of structural behavior of minarets depending on environmental effects such as temperature and humidity
ABDULLAH AYMELEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEMEL TÜRKER
- Hasarlı kirişlerde hasar tespiti için hüzme oluşturma algoritmalarının kullanılması
Damage identification in damaged beams using beamforming algorithms
OZAN ÜREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞURCAN EROĞLU
- Kendiliğinden yerleşen ve geleneksel betonun durabilite potansiyellerinin betonarme kirişlerden alınan karot örnekler üzerinden karşılaştırılması
Comparison of durability potentials of self compacting concrete and conventional concrete in terms of core samples taken from reinforced concrete beams
EMİNE EBRU DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2012
İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. REMZİ ŞAHİN